CN116557258A - 用于压缩空气供应的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了“用于压缩空气供应的方法和系统”。呈现了用于经由内燃发动机的排气向发动机外部的一个或多个空气消耗装置提供压缩空气的方法和系统。在一个示例中，可引导所述排气以驱动空气压缩系统的空气涡轮。在所述压缩系统处压缩的空气可存储在罐中和/或提供给所述一个或多个空气消耗装置。

Description

用于压缩空气供应的方法和系统
技术领域
本申请涉及用于在包括内燃发动机的车辆上生成和供应压缩空气的方法和系统。
背景技术
压缩空气可以是用于联接到车辆的某些外部装置的操作的优选能量形式。例如，在建筑行业，可施加压缩空气来操作射钉枪、装订机、喷漆机、削片机和空气锤。压缩空气可能更适合于在潮湿环境、炎热环境和可能存在大量灰尘的环境中操作工具。与电动工具相比，气动工具可能具有以下优点，包括更轻、成本更低以及具有更大的功率重量比。然而，将压缩机拖曳到作业现场可能不方便，并且一些压缩机可能是电动的。因此，压缩机可能必须携带电源以操作压缩机。因此，气动工具的一些优点可能会降低，这取决于在作业现场可用的资源，并且可能必须利用辅助装置来操作气动工具。压缩空气也可用于将车辆轮胎充气到期望压力。
已尝试生成压缩空气并将其供应给外部装置。Aixala等人在U.S.9,688,260中示出一个示例性系统和相关联方法。其中，发动机扭矩用于操作空气压缩机，并且压缩空气存储在罐中。可基于发动机操作来调整生成的压缩空气的速率。
然而，本文的发明人已认识到使用发动机扭矩生成压缩空气的潜在问题。作为一个示例，通过使用生成的发动机扭矩的一部分来驱动空气压缩机，可以增加发动机功率的寄生损失。在较高的发动机扭矩需求期间，供应发动机扭矩以生成压缩空气可能导致期望发动机功率的损失并使驾驶体验变差。
发明内容
在一个示例中，上述问题可通过一种用于车辆的方法来解决，所述方法包括：从发动机供应排气以驱动空气压缩系统的空气涡轮；以及向所述发动机外部的一个或多个空气消耗装置提供压缩空气。以这种方式，通过选择性地使用发动机排气来生成压缩空气，发动机扭矩的可用性可能不会受到影响。
作为一个示例，发动机可包括两个气缸组(第一气缸组和第二气缸组)，其中每个气缸组包括一个或多个气缸。第一气缸组可经由分流阀联接到包括空气涡轮的空气压缩系统。空气涡轮可经由容纳齿轮系统的轴连接到空气压缩系统的压缩机。压缩机可被配置为将压缩空气供应到罐或直接供应到空气动力工具。响应于对压缩空气的请求，诸如在罐中的压缩空气的压力低于第一阈值水平的情况下操作空气动力工具期间，可暂停第一气缸组中的每个气缸中的燃料喷射和燃烧。可将分流阀致动到第一位置以将主要由空气组成的排气从第一气缸组分流到空气涡轮。可调整齿轮系统以调整与空气涡轮的旋转相对应的压缩机的旋转速度。压缩机可吸入环境空气并压缩空气，然后可将所述空气引导到罐或直接供应到空气动力工具。响应于罐中的压缩空气的压力增加到第二阈值水平，可中断压缩空气的生成，并且可在所有发动机气缸中恢复燃烧。
以这种方式，通过应用来自发动机排气的能量以生成压缩空气，可在不拖曳压缩机或使用电源驱动压缩机的情况下提供压缩空气。此外，所述方法可结合到车辆中，以允许方便地操作空气动力装置。另外，所述方法可应用于包括V型或直列发动机的车辆。使用来自非燃烧气缸的排气来驱动空气涡轮的技术效果是，由于燃烧副产物而通常存在于排气中的颗粒可能不会显著污染涡轮，从而改善涡轮操作并减少磨损。通过仅使用排气来生成压缩空气，发动机扭矩输出可能不会受到影响。因此，可增强车辆的实用性并且可提高客户满意度。
应当理解，提供以上发明内容是为了以简化的形式介绍在具体实施方式中进一步描述的一系列概念。其并不意味着确定所要求保护的主题的关键或必要特征，主题的范围由具体实施方式之后的权利要求唯一地限定。此外，所要求保护的主题不限于解决上文或本公开的任何部分中提及的任何缺点的实施方式。
附图说明
图1示出了车辆的发动机系统的示意图。
图2示出了示例性排气动力空气压缩系统。
图3A和图3B示出了用于操作排气动力空气压缩系统的示例性方法的流程图。
图4示出了排气动力空气压缩系统的操作序列。
具体实施方式
以下描述涉及用于生成压缩空气以便为消耗压缩空气的装置提供动力的系统和方法。压缩空气可从发动机的排气生成。具体地，发动机的排气可用于操作空气压缩系统，所述空气压缩系统包括空气涡轮和连接到空气涡轮的压缩机。压缩机可对空气加压，并且加压的空气可存储在罐中。空气压缩系统可包括在车辆中，如图1所示。空气压缩系统可联接到发动机的排气系统，如图2所示。空气压缩系统可根据用于将来自发动机排气的能量转换成压缩空气的方法来操作，如图3A和图3B所示。用于压缩空气生成的空气压缩系统的示例性操作在图4中示出。
现在转向附图，图1描绘了内燃发动机10的气缸14的示例，所述内燃发动机可包括在车辆5中。发动机10可以是如下文进一步描述的可变排量发动机(VDE)。发动机10可至少部分地通过包括控制器12的控制系统和通过来自人类车辆操作者130经由驾驶员需求踏板132的输入来控制。在该示例中，驾驶员需求踏板132包括踏板位置传感器134，所述踏板位置传感器用于生成比例踏板位置信号。发动机10的气缸(在本文中也称为“燃烧室”)14可包括燃烧室壁136，其中活塞138定位在所述燃烧室壁中。活塞138可联接到曲轴140，使得活塞的往复运动被转换成曲轴的旋转运动。曲轴140可经由变速器54联接到车辆5的至少一个车轮55，如下面进一步描述的。
在一些示例中，车辆5可以是具有可用于一个或多个车轮55的多个扭矩源的混合动力车辆。在其他示例中，车辆5是仅具有发动机的常规车辆或仅具有电机的电动车辆。在示出的示例中，车辆5包括发动机10和电机52。电机52可以是马达或马达/发电机。当接合一个或多个离合器56时，发动机10的曲轴140以及电机52经由变速器54连接到车轮55。在所描绘的示例中，第一离合器56设置在曲轴140与电机52之间，而第二离合器57设置在电机52与变速器54之间。控制器12可向每个离合器56、57的致动器发送接合或脱离离合器的信号，以便将曲轴140与电机52以及与电机连接的部件连接或断开，和/或将电机52与变速器54以及与变速器连接的部件连接或断开。变速器54可以是齿轮箱、行星齿轮系统或另一种类型的变速器。
在起动期间或当发动机10作为空气泵操作时，发动机10可经由电机52旋转。替代地，在起动期间或当发动机10作为空气泵操作时，起动机马达(未示出)可使发动机10旋转。起动机马达可经由飞轮(未示出)接合曲轴140。
动力传动系统可通过各种方式配置，这些方式包括并联、串联或串并联式混合动力车辆。此外，在一些配置中，发动机10和电机52可经由齿轮组而不是离合器联接。在电动车辆示例中，系统电池58可以是牵引电池，该牵引电池将电力输送到电机52以向车轮55提供扭矩。在一些示例中，电机52还可作为发电机操作以例如在制动操作期间提供电力以对系统电池58充电。应当理解，在包括非电动车辆示例的其他示例中，系统电池58可以是联接到交流发电机46的典型起动、照明、点火(SLI)电池。
交流发电机46可被配置为在发动机运行期间经由曲轴140使用发动机扭矩对系统电池58充电。另外，交流发电机46可基于发动机的一个或多个电气系统(诸如一个或多个辅助系统，包括暖通空调(HVAC)系统、车灯、车载娱乐系统和其他辅助系统)的对应的电气需求来对它们供电。在一个示例中，在交流发电机上汲取的电流可基于驾驶室冷却需求、电池充电要求、其他辅助车辆系统需求和马达扭矩中的每一者而不断改变。电压调节器可联接到交流发电机46以便基于系统使用要求(包括辅助系统需求)来调节交流发电机的功率输出。
发动机10的气缸14可经由一系列进气通道142和144以及进气歧管146来接收进气。进气歧管146除了与气缸14连通之外，还可与发动机10的其他气缸连通。进气通道中的一者或多者可包括一个或多个增压装置，诸如涡轮增压器或机械增压器。例如，图1示出了被配置有涡轮增压器的发动机10，所述涡轮增压器包括布置在进气通道142与144之间的压缩机174以及沿着排气通道135布置的排气涡轮176。当增压装置被配置为涡轮增压器时，压缩机174可至少部分地通过排气涡轮176经由轴180提供动力。然而，在其他示例中，诸如当发动机10设置有机械增压器时，压缩机174可通过来自马达或发动机的机械输入提供动力，并且可任选地省略排气涡轮176。在另外的其他示例中，发动机10可设置有电动机械增压器(例如，“电增压器”)，并且压缩机174可由电动马达驱动。在再其他示例中，诸如当发动机10是自然进气式发动机时，发动机10可不设有增压装置。
包括节流板164的节气门162可设置在发动机进气通道中以用于改变提供给发动机气缸的进气的流率和/或压力。例如，节气门162可位于压缩机174的下游，如图1所示，或者可替代地设置在压缩机174的上游。节气门162的位置可经由来自节气门位置传感器163的信号传送到控制器12。
除了气缸14之外，排气歧管148还可从发动机10的其他气缸接收排气。排气传感器126被示为在排放控制装置178的上游联接到排气歧管148。排气传感器126可从用于提供排气空燃比(AFR)的指示的各种合适的传感器中选择，例如，这些合适的传感器诸如线性氧传感器或UEGO(通用或宽域排气氧)、双态氧传感器或EGO、HEGO(加热型EGO)、NOx、HC或CO传感器。在图1的示例中，排气传感器126是UEGO传感器。排放控制装置178可为三元催化器、NOx捕集器、各种其他排放控制装置或者它们的组合。在图1的示例中，排放控制装置178可以是三元催化器或氧化催化器。排气歧管148、排放控制装置178、排气传感器126和温度传感器可包括在发动机排气系统11中。
发动机10的每个气缸可包括一个或多个进气门和一个或多个排气门。例如，气缸14被示出为包括位于气缸14的上部区域处的至少一个进气提升阀150和至少一个排气提升阀156。在一些示例中，发动机10的每个气缸(包括气缸14)可包括位于气缸的上部区域处的至少两个进气提升阀和至少两个排气提升阀。在此示例中，进气门150可由控制器12通过经由凸轮致动系统152(包括一个或多个凸轮151)进行的凸轮致动来控制。类似地，排气门156可由控制器12经由凸轮致动系统154(包括一个或多个凸轮153)来控制。进气门150和排气门156的位置可分别由气门位置传感器(未示出)和/或凸轮轴位置传感器155和157来确定。
在一些状况期间，控制器12可改变被提供给凸轮致动系统152和154的信号以控制相应的进气门和排气门的打开和关闭。可同时控制进气门正时和排气门正时，或可使用可变进气凸轮正时、可变排气凸轮正时、双独立可变凸轮正时或固定凸轮正时的可能性中的任一者。每个凸轮致动系统可包括一个或多个凸轮，并且可利用可由控制器12操作来改变气门操作的可变排量发动机(VDE)、凸轮廓线变换(CPS)、可变凸轮正时(VCT)、可变气门正时(VVT)和/或可变气门升程(VVL)系统中的一者或多者。在替代示例中，进气门150和/或排气门156可通过电动气门致动来控制。例如，气缸14可替代地包括经由电动气门致动控制的进气门和经由凸轮致动(包括CPS和/或VCT系统)控制的排气门。在其他示例中，进气门和排气门可由共同的气门致动器(或致动系统)或可变气门正时致动器(或致动系统)控制。
如本文进一步所描述，进气门150和排气门156可在VDE模式期间经由电致动摇臂机构来停用。在另一示例中，进气门150和排气门156可经由CPS机构来停用，在所述CPS机构中，没有升程的凸轮凸角被用于停用气门。还可使用另外的其他气门停用机构，诸如用于电致动气门的机构。在一个示例中，进气门150的停用可由第一VDE致动器(例如，联接到进气门150的第一电致动摇臂机构)控制，而排气门156的停用可由第二VDE致动器(例如，联接到排气门156的第二电致动摇臂机构)控制。在替代示例中，单个VDE致动器可控制气缸的进气门和排气门两者的停用。在另外的其他示例中，单个气缸气门致动器停用多个气缸(进气门和排气门两者)，诸如发动机组中的所有气缸，或者不同的致动器可控制所有进气门的停用，而另一个不同的致动器控制停用的气缸的所有排气门的停用。应当理解，如果气缸是VDE发动机的不可停用的气缸，则气缸可不具有任何气门停用致动器。每个发动机气缸可包括本文所述的气门控制机构。在被停用时，进气门和排气门在一个或多个发动机循环保持在关闭位置以便防止流入或流出气缸14。
气缸14可具有一定压缩比，所述压缩比是活塞138处于下止点(BDC)时的容积与处于上止点(TDC)时的容积之比。在一个示例中，压缩比在9:1至22:1的范围内，这取决于发动机10是被配置为汽油发动机还是柴油发动机。如果使用直接喷射，则由于直接喷射对发动机爆震的影响，压缩比也可能会增大。
当发动机10被配置为燃烧汽油时，所述发动机的每个气缸可包括用于发起燃烧的火花塞192。然而，当发动机10被配置为燃烧柴油燃料时，可省略火花塞192。在选择的操作模式下，点火系统190可响应于来自控制器12的火花提前信号而经由火花塞192向燃烧室14提供点火火花。可基于发动机工况和驾驶员扭矩需求而调整火花正时。例如，可在最佳扭矩最小点火提前角(MBT)正时提供火花以将发动机功率和效率最大化。控制器12可将发动机工况(包括发动机转速、发动机负荷和排气AFR)输入到查找表中，并且输出针对所输入的发动机工况的对应MBT正时。在其他示例中，火花可从MBT延迟，诸如以便在发动机起动期间加速催化器预热，或以便减少发动机爆震的发生。
在一些示例中，发动机10的每个气缸可被配置有用于向气缸提供燃料的一个或多个燃料喷射器。作为非限制性示例，气缸14被示出为包括直接燃料喷射器166和进气道燃料喷射器66。燃料喷射器166和66可被配置为输送从燃料系统8接收的燃料。燃料系统8可包括一个或多个燃料箱、燃料泵和燃料轨。燃料喷射器166被示为直接联接到气缸14以用于与从控制器12接收的信号的脉冲宽度成比例地直接在其中喷射燃料。进气道燃料喷射器66可由控制器12以类似的方式控制。以这种方式，燃料喷射器166提供所谓的燃料直接喷射(下文也被称为“DI”)到气缸14中。虽然图1示出了定位到气缸14的一个侧面的燃料喷射器166，但燃料喷射器166可替代地位于活塞的顶部，诸如靠近火花塞192的位置。当使用醇基燃料操作发动机时，由于一些醇基燃料的较低挥发性，这样的位置可增加混合和燃烧。替代地，喷射器可位于进气门的顶部和附近以增加混合。燃料可经由燃料泵和燃料轨从燃料系统8的燃料箱输送到燃料喷射器166和66。此外，燃料箱可具有向控制器12提供信号的压力传感器。
燃料喷射器166和66可被配置为以不同的相对量从燃料系统8接收不同的燃料作为燃料混合物，并且还被配置为将该燃料混合物直接喷射到气缸中。例如，燃料喷射器166可接收醇类燃料，而燃料喷射器66可接收汽油。此外，可在气缸的单个循环的不同冲程期间将燃料输送到气缸14。例如，可在前一排气冲程期间、在进气冲程期间和/或在压缩冲程期间至少部分地输送直接喷射的燃料。进气道喷射的燃料可在接收燃料的气缸的前一循环的进气门关闭之后喷射且直到当前气缸循环的进气门关闭。因此，对于单个燃烧事件(例如，经由火花点火在气缸中燃烧燃料或压缩点燃)，可经由任一个或两个喷射器在每个循环中执行一次或多次燃料喷射。可在压缩冲程、进气冲程或者它们的任何适当组合期间执行多次直喷式(DI)喷射，这被称为分流燃料喷射。
控制器12在图1中被示出为微计算机，其包括微处理器单元106、输入/输出端口108、用于可执行程序(例如，可执行指令)和校准值的电子存储介质(在该特定示例中被示出为非暂时性只读存储器芯片110)、随机存取存储器112、保活存储器114和数据总线。控制器12可从联接到发动机10的传感器接收各种信号，包括先前讨论的信号并另外包括：来自质量空气流量传感器122的进气质量空气流量(MAF)的测量值；来自联接到冷却套筒118的温度传感器116的发动机冷却剂温度(ECT)；来自联接到排气通道135的温度传感器158的催化器入口温度；来自温度传感器159的催化器温度；来自联接到曲轴140的霍尔效应传感器120(或其他类型的传感器)的曲轴位置信号；来自节气门位置传感器163的节气门位置；来自排气传感器126的信号UEGO，其可以由控制器12使用来确定排气的空燃比；经由传感器90的发动机振动；以及来自绝对歧管压力(MAP)传感器124的绝对歧管压力信号(MAP)。控制器12可根据曲轴位置生成发动机转速信号RPM。来自MAP传感器124的歧管压力信号MAP可用于提供对进气歧管中的真空或压力的指示。控制器12可基于发动机冷却剂温度来推断发动机温度。
控制器12从图1的各种传感器接收信号，并且采用图1的各种致动器来基于所接收的信号和存储在控制器的存储器上的指令来调整发动机操作。例如，控制器可通过致动气门致动器152和154以停用选定气缸来使发动机转换到在VDE模式下操作。此外，控制器12可从人/机接口115接收输入并向其提供数据。在一个示例中，人/机接口115可以是触摸屏装置、显示器和键盘、电话或其他已知装置。
如上所述，图1仅示出了多缸发动机的一个气缸。因此，每个气缸可类似地包括其自身的一组进气门/排气门、燃料喷射器、火花塞等。应当理解，发动机10可包括任何合适数量的气缸，包括2个、3个、4个、5个、6个、8个、10个、12个或更多个气缸。此外，这些气缸中的每一者可包括通过图1参考气缸14所描述和描绘的各种部件中的一些或全部。
在选定状况期间，诸如当未请求发动机10的全扭矩能力时，控制器12可选择第一或第二气缸组中的一者进行停用(本文也被称为VDE操作模式)。在VDE模式期间，可通过关闭相应的燃料喷射器166和66来停用选定气缸组的气缸。此外，气门150和156可被停用并在一个或多个整个发动机循环内保持关闭。尽管禁用的气缸的燃料喷射器被关闭，但其余启用的气缸继续执行燃烧，其中对应的燃料喷射器以及进气门和排气门是活动的并且在操作。为了满足扭矩需要，控制器调整进入活动发动机气缸的空气量。因此，为了提供八缸发动机在0.2发动机负荷和特定发动机转速下产生的等效发动机扭矩，活动发动机气缸可在比发动机在所有发动机气缸都活动的情况下操作时发动机气缸的压力更高的压力下操作。这需要较高的歧管压力，从而导致降低泵送损失并提高发动机效率。另外，暴露于燃烧的较小的有效表面积(仅来自活动气缸)减少了发动机热损失，从而提高了发动机的热效率。
现在参考图2，示出了用于车辆5的空气压缩系统200的详细视图。装置和机械连接(例如，导管或通道)以实线示出，并且电连接以虚线示出。在该示例中，发动机10被配置有两个气缸组(例如，V6或V8)。
第一排气歧管148可将排气从发动机10中的第一气缸组输送到第一涡轮176和第一催化器178。类似地，第二排气歧管274可将排气从发动机10中的第二气缸组输送到第二涡轮276和第二催化器278。在一个示例中，发动机10可以不是增压发动机，并且来自第一气缸组和第二气缸组的排气可直接流到相应的催化器。当压缩系统200未被激活时，离开催化器278的排气可通过分流阀202(当分流阀202处于第一位置时)并流过第一排气通道293。当分流阀202处于第一位置时，分流阀202防止排气流到空气涡轮234。排气流过消声器232并经由第一主排气出口通道272排出到大气中。
如果发动机10尚未起动，则控制器12可经由起动发动机10激活空气压缩系统200，并且可将分流阀202移动到其第二位置。在分流阀202的第二位置，来自第二排气歧管274的排气可经由第二排气通道231被引导到空气涡轮234。也可经由止回阀203在第二排气通道231处设置放气出口，使得如果需要，可释放排气压力。
空气涡轮234可经由轴240连接到空气压缩机242。流过空气涡轮234的排气可使涡轮叶片旋转，这继而可使空气压缩机242的叶片旋转。在流过空气涡轮234之后，排气可经由第二排气出口通道245排出到大气中。第二排气出口通道245还可包括催化器和消声器。
齿轮系统238可容纳在轴240中。对于给定的涡轮234和压缩机242选择，调整齿轮系统238的齿轮比允许优化空气压缩机242的输入轴扭矩和转速。作为示例，如果齿轮系统的输入端与输出端之间的齿轮比增大，则空气压缩机242可由于较高的输入轴240扭矩而更快地加速，并且如果齿轮比减小，则如果有足够的输入轴240扭矩可用，则空气压缩机242的最高速度可以增加。在一个实施例中，可消除齿轮系统238，并且压缩机242可经由轴240以与空气涡轮234相同的转速旋转。随着空气压缩机242的旋转，环境空气可经由清洁空气通道255流到空气压缩机。清洁空气通道255可包括空气滤清器254以从进入的空气流中去除颗粒；以及第一止回阀253以调节空气流方向(使得空气仅流向空气压缩机242)。
来自压缩机242的加压空气可经由空气管线243输送到罐246。罐246中的压力可经由联接到罐246的压力传感器275来监测。压缩空气可存储在罐处，或者经由第二止回阀247、压力调节器248和工具触发阀(tool trigger valve)249直接输送到工具250的空气动力消耗装置252。压力调节器248确保压缩空气以期望的压力传输到空气动力消耗装置。第二止回阀247防止空气朝向罐246回流。当工具触发阀249处于打开位置时，来自罐246的压缩空气可流到工具250，并且当工具触发阀249处于关闭位置时，压缩空气可存储在罐246中。使空气经由罐流过工具250可减少到达工具的压力脉动。
响应于对压缩空气的需求，可供应来自发动机的排气以驱动空气压缩系统的空气涡轮234，并且可将压缩空气提供给发动机外部的一个或多个空气消耗装置(工具)。在从发动机的第一气缸组中的气缸向空气涡轮供应排气期间，可在第一气缸组中的气缸中暂停燃料供给和燃烧，并且可将分流阀202致动到第一位置。在一个或多个空气消耗装置处对压缩空气的请求期间，可响应于存储在罐246中的压缩空气的压力低于第一阈值压力而将排气供应到空气涡轮。随着空气在空气压缩机242处被压缩并存储在罐246中时，响应于存储在罐246中的压缩空气的压力增加到第一阈值，压缩空气可从罐被引导到一个或多个空气消耗装置，同时继续将压缩空气引导到罐。可继续将压缩空气从空气压缩机242引导到罐246，直到罐中的压力增加到第二阈值压力，第二阈值压力高于第一阈值压力。响应于存储在罐246中的压缩空气的压力增加到第二阈值，可将分流阀202致动到第二位置以暂停排气从第一气缸组中的气缸流到空气涡轮234。
以这种方式，图1至图2所述的部件实现了一种用于车辆的系统，所述系统包括：发动机，所述发动机包括第一气缸组和第二气缸组，所述第一气缸组的第一排气通道被配置为将排气经由分流阀供应到空气涡轮；空气压缩机，所述空气压缩机经由轴联接到所述空气涡轮；以及空气罐，所述空气罐被配置为接收和存储来自所述空气压缩机的压缩空气。控制器可包括存储在非暂时性存储器中的用于进行以下操作的可执行指令：响应于外部工具处对压缩空气的需求而将所述分流阀致动到第一位置以将所述第一排气通道流体地连接到所述空气涡轮。
现在参考图3A和图3B，示出了用于经由来自车辆的排气能量生成压缩空气的方法300。用于执行方法300和本文包括的其他方法的指令可由控制器(例如，图2的控制器12)基于存储在控制器的非暂时性存储器中的指令并结合从发动机系统的传感器(诸如以上参考图1至图2所述的传感器)接收的信号来执行。控制器可根据在下文描述的方法来采用发动机系统的发动机致动器以调整发动机操作。将关于在本文描述并且在图1至图2中描绘的系统来描述方法300，但应当理解，可在不脱离本公开的范围的情况下将类似方法应用于其他系统。
在302处，方法300确定是否从车辆请求压缩空气。操作者可经由人/机接口(诸如图1的人/机接口115，其可包括在车辆仪表板中或经由通信地连接到车辆的移动装置)请求压缩空气。可能需要压缩空气来操作工具或为车辆的轮胎充气。如果确定没有发出对压缩空气供应的请求，则在304处，可继续当前发动机操作而不生成压缩空气。对于具有两个气缸组的发动机，可基于发动机操作参数(诸如发动机负荷和发动机温度)在一个或两个气缸组中进行空气和燃料的燃烧。包括空气涡轮(诸如图2中的空气涡轮234)和对应的空气压缩机(诸如图2中的空气压缩机242)的空气压缩系统(诸如图2中的空气压缩系统200)可保持不活动。
如果确定正在发出对压缩空气供应的请求，则在306处，程序包括确定空气罐(诸如图2中的罐246)中的空气压力是否低于第一阈值压力(阈值_1)。第一阈值压力可被预校准为操作工具(诸如图2的工具252)所需的空气压力。在一个示例中，即使不请求压缩空气，控制器也可周期性地检查空气罐中的压力是否低于第一阈值压力。
如果确定空气罐中的压力高于第一阈值压力，则可推断出罐中存在足够的压缩空气来满足所请求的压缩空气需求，并且此时可不发起压缩空气的生成。所述程序可前进到步骤304以在无压缩空气生成的情况下保持当前发动机操作。控制器可基于需求将容纳在将空气罐连接到工具的管线中的工具触发阀(诸如图2中的阀249)致动到打开位置以允许压缩空气流到工具。
如果确定空气罐中的压力低于第一阈值压力，则可推断出可能需要进一步生成压缩空气以用于工具的操作。在308处，可基于发动机扭矩需求和压缩空气请求来调整燃烧空气和燃料的发动机气缸的数量。在一个示例中，对于包括两个气缸组的发动机(诸如图2中的发动机10)，第一气缸组可向空气压缩系统供应排气。燃烧可在第一气缸组的气缸中暂停，而燃烧可在另一个第二气缸组的气缸中继续以生成发动机扭矩。通过暂停向空气压缩系统供应排气的气缸中的燃料供给和燃烧，可以确保将清洁空气引导到空气涡轮，这(由于没有排气颗粒)可以提高效率并减少空气涡轮的磨损。在另一示例中，在高于阈值扭矩需求期间，可在所有发动机气缸中进行燃烧，并且可将来自第一气缸组的排气引导到空气压缩系统。
在310处，可将分流阀(诸如图2中的分流阀202)致动到第一位置以将排气从第一气缸组分流到空气压缩系统的空气涡轮。在分流阀的默认第二位置，来自第二气缸组的排气可经由催化器和消声器被引导到排气出口通道(诸如图2中的通道272)，而不流到空气涡轮。随着排气流过空气涡轮，涡轮可旋转。在流过涡轮之后，排气可经由另一排气出口通道(诸如图2中的通道245)被引导到大气中。以这种方式，通过将分流阀致动到第一位置，将空气从第一气缸组的每个气缸引导到空气涡轮可将第一气缸组的排气歧管流体地连接到空气涡轮。
在312处，可任选地调整经由轴将空气涡轮联接到空气压缩机的齿轮系统的齿轮比以调节空气压缩机转速。空气压缩机转速可响应于压缩空气需求的增加而增加，而空气压缩机转速可响应于罐达到其容纳压缩空气的容量而降低。在一个示例中，可消除齿轮系统，并且空气压缩机可以与空气涡轮相同的转速旋转。在另一示例中，齿轮系统可以是固定传动比。
在314处，可将来自压缩机的压缩空气引导到罐。压缩机可经由清洁空气通道(诸如图2的清洁空气通道255)和止回阀(诸如图2的第一止回阀253)吸入环境空气并压缩空气。空气可存储在罐处或经由工具触发阀输送到工具。随着空气存储在罐中，罐中的压力可以增加，并且可经由联接到罐的压力传感器(诸如图2中的压力传感器275)来监测压力变化。
在316处，所述程序包括确定罐中的压力是否已增加到第一阈值压力。如果压力增加到高于第一阈值压力，则可推断出罐中存在足够的空气用于工具操作。如果确定罐中的压力已增加到第一阈值压力，则在320处，可通知操作者能够启用工具。根据要求，罐中的压缩空气可能足以操作工具或为轮胎充气。在一个示例中，可消除步骤316和320，并且随着在压缩机处生成压缩空气，可将压缩空气直接从压缩机引导到工具。
如果确定罐中的压力尚未增加到第一阈值压力，则在318处，可继续将压缩空气引导到罐。在322处，所述程序包括确定罐中的压力是否已增加到第二阈值压力(阈值_2)。第二阈值压力可基于罐的容量来预校准。高于第二阈值压力的空气压力可能导致罐中的磨损并增加泄漏的可能性。
如果确定罐压力低于第二阈值压力，则所述程序可返回到步骤318以继续将压缩空气引导到罐。空气压缩系统可继续操作。如果确定空气罐中的压力低于第一阈值压力，则可推断出可能不需要进一步生成压缩空气。因此，在324处，可将分流阀致动到第二位置以中断排气从第一气缸组流到空气涡轮。在没有排气流的情况下，空气涡轮和压缩机可停止旋转并且压缩空气的生成可暂停。以这种方式，可经由联接到空气罐的压力传感器来监测空气罐中的空气压力，并且响应于空气压力增加到高于第二阈值压力，可将分流阀致动到第二位置，以将第一气缸组的排气歧管与空气涡轮断开连接。在326处，可仅基于发动机扭矩需求来调整燃烧空气和燃料的发动机气缸的数量。在一个示例中，可恢复对所有发动机气缸的燃料供给，并且可将来自两个气缸组的排气经由共享的排气通道引导到大气中。
以这种方式，响应于对压缩空气的请求，可在发动机的第一气缸组的每个气缸中暂停燃料喷射和燃烧，可将来自第一气缸组的每个气缸的空气引导到空气涡轮，并且可通过经由轴联接到空气涡轮的空气压缩机来压缩环境空气。在从操作者接收到对工具的操作的请求时，可在空气罐中的空气压力低于第一阈值压力期间做出对压缩空气的请求。
图4示出了车辆中的排气动力空气压缩系统(诸如图2中的空气压缩系统200)的示例性操作序列400。空气压缩系统可包括经由轴联接到空气压缩机的空气涡轮。可使用压缩空气来操作工具或为车辆的轮胎充气。水平线(x轴)表示时间，并且垂直标记t0至t4标识压缩空气生成操作序列中的重要时间。
第一曲线图(线402)表示对压缩空气的请求。操作者可经由仪表板中的HMI或连接到车辆的智能装置发出请求，指示期望使用压缩空气为工具提供动力或为车辆轮胎打气。第二曲线图(线404)表示发动机操作。发动机包括两个气缸组，并且可基于发动机扭矩需求和空气压缩系统操作在一个或两个气缸组中进行燃料供给和燃烧。第三曲线图(线406)表示用于将排气从一个气缸组分流到空气压缩系统的分流阀(诸如图2中的分流阀202)的位置。在分流阀的第一位置，来自第一气缸组的排气被引导到空气涡轮，而在分流阀的第二位置，来自第二气缸组的排气被直接引导到排气出口通道，而不通过空气压缩系统的空气涡轮。第四曲线图(线408)示出了空气涡轮的操作。第五曲线图(线410)表示存储在罐中的压缩空气的压力，如经由联接到罐的压力传感器所测量的，空气可从所述罐中供应到工具。虚线411表示第一阈值空气压力，低于所述第一阈值空气压力，工具不能有效地操作。虚线412表示第二阈值空气压力，高于所述第二阈值空气压力，压缩空气不能存储在罐中。第六曲线图(线414)表示操作者对工具的操作，工具由空气压缩系统生成的压缩空气提供动力。
在时间t1之前，不请求压缩空气，并且发动机在两个气缸组中都进行燃料供应和燃烧的情况下进行操作。燃料被喷射到每个发动机组中的一个或多个气缸中，并且在那些气缸中进行燃烧。分流阀保持在第二位置，并且来自第一气缸组的排气不被引导到空气涡轮，由此导致空气涡轮不可操作。罐中的空气压力低于第一阈值空气压力和第二阈值空气压力中的每一者，并且工具未操作。
在时间t1，接收到对压缩空气的请求，并且响应于罐中的空气压力低于第一阈值，推断出罐不包含用于工具操作的足够空气，并且发起压缩空气生成。在第一气缸组的气缸中暂停燃料供给和燃烧。即使当燃烧暂停时，空气也会流过第一气缸组的气缸。分流阀被致动到第一位置以将排气(基本上是空气)从第一气缸组的气缸引导到空气涡轮。来自气缸的空气使空气涡轮旋转，并且因此使空气压缩机旋转。压缩机的旋转吸入环境空气并压缩环境空气，然后将所述环境空气引导到罐。在时间t1与t2之间，随着压缩空气的生成并被引导到罐，罐中的压力增加。在时间t2，响应于罐中的压力达到第一阈值压力411，通知操作者可发起工具的操作。在时间t2与t3之间，压缩空气的生成继续进行，同时使用来自罐的压缩空气操作工具。
在时间t3，响应于罐中的压力达到第二阈值压力412，压缩空气的生成被暂停。分流阀被致动到第二位置，以暂停排气从第一发动机气缸组到空气涡轮的引导，由此停止空气涡轮的操作。压缩机处不再生成压缩空气。发动机操作从在单个气缸组中进行燃烧切换到在两个气缸组中恢复燃料供给和燃烧。在时间t3与t4之间，通过使用来自罐的压缩空气来操作工具。在时间t4，工具操作暂停并且压缩空气不再被引导到工具。
以这种方式，来自发动机的排气可有效地用于生成压缩空气。通过将压缩空气存储在罐中，空气可根据需要用于工具的操作和/或轮胎的充气。使用来自排气的能量来驱动空气压缩系统的技术效果是不会增加发动机动力的寄生损失，并且可继续充分利用发动机扭矩来操作车辆。总之，通过在不拖曳压缩机或使用电源来驱动压缩机的情况下包括提供压缩空气的能力，可增强车辆的实用性并且可提高客户满意度。
一种用于车辆的示例性方法包括：从发动机供应排气以驱动空气压缩系统的空气涡轮；以及向所述发动机外部的一个或多个空气消耗装置提供压缩空气。在前述示例中的任一示例中，另外地或任选地，所述空气压缩系统包括由排气驱动的所述空气涡轮和由所述空气涡轮驱动的空气压缩机，所述空气压缩机经由空气入口吸入环境空气并压缩所述环境空气。在前述示例中的任一示例或所有示例中，另外地或任选地，所述空气涡轮和所述空气压缩机经由轴联接，所述轴容纳齿轮系统，所述齿轮系统被配置为相对于所述空气涡轮的转速调整所述空气压缩机的转速。在前述示例中的任一示例或所有示例中，另外地或任选地，在所述一个或多个空气消耗装置处对压缩空气的请求期间，响应于存储在罐中的压缩空气的压力低于第一阈值压力，将所述排气供应到所述空气涡轮。前述示例中的任一示例或所有示例另外地或任选地还包括响应于存储在所述罐中的压缩空气的压力增加到所述第一阈值，将压缩空气从所述罐引导到所述一个或多个空气消耗装置，同时继续将压缩空气引导到所述罐。在前述示例中的任一示例或所有示例中，另外地或任选地，其还包括将所述压缩空气从所述空气压缩机引导到所述罐，直到所述罐中的所述压力增加到第二阈值压力，所述第二阈值压力高于所述第一阈值压力。在前述示例中的任一示例或所有示例中，另外地或任选地，所述发动机包括两个气缸组，并且所述排气经由分流阀从第一气缸组中的气缸供应到所述空气涡轮。前述示例中的任一示例或所有示例另外地或任选地还包括在从所述第一气缸组中的气缸向所述空气涡轮供应所述排气期间，在所述第一气缸组中的所述气缸中暂停燃料供给和燃烧，并且所述分流阀被致动到第一位置。前述示例中的任一示例或所有示例另外地或任选地还包括响应于存储在所述罐中的压缩空气的压力增加到所述第二阈值，将所述分流阀致动到第二位置，以暂停所述排气从所述第一气缸组中的所述气缸流到所述空气涡轮。
用于车辆的另一示例性方法包括：响应于对压缩空气的请求，在所述发动机的第一气缸组的每个气缸中暂停燃料喷射和燃烧，将来自所述第一气缸组的每个气缸的空气引导到空气涡轮，并且通过经由轴联接到所述空气涡轮的空气压缩机来压缩环境空气。在前述示例中的任一示例中，另外地或任选地，所述方法还包括将所述压缩空气存储在空气罐中和/或将所述压缩空气直接供应到联接到所述车辆的工具。在前述示例中的任一示例或所有示例中，另外地或任选地，在从操作者接收到对所述工具的操作的请求时，在所述空气罐中的空气压力低于第一阈值压力期间做出所述对压缩空气的请求。在前述示例中的任一示例或所有示例中，另外地或任选地，将来自所述第一气缸组的每个气缸的空气引导到所述空气涡轮包括将分流阀致动到第一位置，以将所述第一气缸组的排气歧管流体地连接到所述空气涡轮。在前述示例中的任一示例或所有示例中，另外地或任选地，所述环境空气经由包括止回阀的清洁空气通道被吸入所述空气压缩机中，并且其中所述压缩空气经由空气管线被引导到所述空气罐。前述示例中的任一示例或所有示例另外地或任选地还包括经由联接到所述空气罐的压力传感器来监测所述空气罐中的所述空气压力，以及响应于所述空气压力增加到高于第二阈值压力，将所述分流阀致动到第二位置以将所述第一气缸组的所述排气歧管与所述空气涡轮断开连接。
用于车辆的又一示例性系统包括：发动机，所述发动机包括第一气缸组和第二气缸组，所述第一气缸组的第一排气通道被配置为将排气经由分流阀供应到空气涡轮；空气压缩机，所述空气压缩机经由轴联接到所述空气涡轮；以及空气罐，所述空气罐被配置为接收和存储来自所述空气压缩机的压缩空气。前述示例中的任一示例另外地或任选地还包括经由工具触发阀联接到所述空气罐的外部工具，所述外部工具可使用来自所述空气罐的压缩空气来操作。前述示例中的任一示例或所有示例另外地或任选地还包括控制器，所述控制器包括存储在非暂时性存储器中的用于进行以下操作的可执行指令：响应于外部工具处对压缩空气的需求而将所述分流阀致动到第一位置以将所述第一排气通道流体地连接到所述空气涡轮。在前述示例中的任一示例或所有示例中，另外地或任选地，所述控制器包括用于进行以下操作的另外的指令：在所述外部工具处不存在所述对压缩空气的需求的情况下，将所述分流阀致动到第二位置以经由一个或多个催化器将排气从所述第一排气通道引导到排气出口通道。前述示例中的任一示例或所有示例另外地或任选地还包括将所述空气涡轮连接到所述空气压缩机的齿轮系统，并且其中所述控制器包括用于进行以下操作的另外的指令：调整所述齿轮系统的齿轮比以相对于所述空气涡轮的转速调整所述空气压缩机的旋转速度，所述空气压缩机被配置为压缩环境空气。
应当注意，本文所包括的示例性控制和估计程序可与各种发动机和/或车辆系统配置一起使用。本文所公开的控制方法和程序可作为可执行指令存储在非暂时性存储器中，并且可由包括控制器的控制系统结合各种传感器、致动器和其他发动机硬件来执行。本文所述的具体程序可表示任何数量的处理策略(诸如事件驱动的、中断驱动的、多任务、多线程等)中的一者或多者。因此，示出的各种动作、操作和/或功能可按示出的顺序执行、并行执行，或者在一些情况下被省略。同样地，处理次序不一定是达成本文所述的示例性示例的特征和优点所必需的，而是为了便于说明和描述而提供的。可根据所使用的特定策略而重复地执行示出的动作、操作和/或功能中的一者或多者。此外，所描述的动作、操作和/或功能可图形表示被编程到发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非暂时性存储器中的代码，其中通过在包括各种发动机硬件部件的系统中结合电子控制器执行指令来实施所描述的动作。另外，应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，本文描述的阀可用提供类似功能的不同配置的阀替换。
应当理解，本文所公开的配置和程序本质上是示例性的，并且这些具体示例不应被视为具有限制含义，因为众多变型是可能的。例如，上述技术可应用于I-3、I-4、I-6、V-6、V-8、V-10、V-12、对置4缸、自然进气式、涡轮增压式、机械增压式和其他发动机类型。本公开的主题包括本文公开的各种系统和配置以及其他特征、功能和/或性质的所有新颖且非显而易见的组合和子组合。
所附权利要求特别地指出被视为新颖且非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可指代“一个”要素或“第一”要素或其等同物。这些权利要求应当理解为包括一个或多个此类要素的结合，既不要求也不排除两个或更多个此类要素。所公开特征、功能、元件和/或性质的其他组合和子组合可通过修正本权利要求或通过在此申请或相关申请中呈现新的权利要求来要求保护。此类权利要求与原始权利要求相比无论在范围上更宽、更窄、等同或不同，也都被视为包括在本公开的主题内。

Claims (15)

1.一种用于车辆的方法，所述方法包括：
从发动机供应排气以驱动空气压缩系统的空气涡轮，以及向所述发动机外部的一个或多个空气消耗装置提供压缩空气。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述空气压缩系统包括由排气驱动的所述空气涡轮和由所述空气涡轮驱动的空气压缩机，所述空气压缩机经由空气入口吸入环境空气并压缩所述环境空气。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述空气涡轮和所述空气压缩机经由轴联接，所述轴容纳齿轮系统，所述齿轮系统被配置为相对于所述空气涡轮的转速调整所述空气压缩机的转速。
4.如权利要求2所述的方法，其中在所述一个或多个空气消耗装置处对压缩空气的请求期间，响应于存储在罐中的压缩空气的压力低于第一阈值压力而将所述排气供应到所述空气涡轮。
5.如权利要求4所述的方法，其还包括响应于存储在所述罐中的压缩空气的所述压力增加到所述第一阈值，将压缩空气从所述罐引导到所述一个或多个空气消耗装置，同时继续将压缩空气引导到所述罐。
6.如权利要求4所述的方法，其还包括将所述压缩空气从所述空气压缩机引导到所述罐，直到所述罐中的所述压力增加到第二阈值压力，所述第二阈值压力高于所述第一阈值压力。
7.如权利要求6所述的方法，其中所述发动机包括两个气缸组，并且所述排气经由分流阀从第一气缸组中的气缸供应到所述空气涡轮。
8.如权利要求7所述的方法，其还包括在从所述第一气缸组中的气缸向所述空气涡轮供应所述排气期间，在所述第一气缸组中的所述气缸中暂停燃料供给和燃烧，并且所述分流阀被致动到第一位置。
9.如权利要求8所述的方法，其还包括响应于存储在所述罐中的所述压缩空气的所述压力增加到所述第二阈值，将所述分流阀致动到第二位置，以暂停所述排气从所述第一气缸组中的所述气缸流到所述空气涡轮。
10.一种用于车辆的系统，所述系统包括：
控制器，所述控制器包括存储在非暂时性存储器中的用于进行以下操作的可执行指令：
响应于对压缩空气的请求，
暂停发动机的第一气缸组的每个气缸中的燃料喷射和燃烧；
将空气从所述第一气缸组的所述每个气缸引导到空气涡轮；以及
通过经由轴联接到所述空气涡轮的空气压缩机压缩环境空气。
11.如权利要求10所述的系统，所述控制器包括用于进行以下操作的另外的指令：将所述压缩空气存储在空气罐中和/或将所述压缩空气直接供应到联接到所述车辆的工具。
12.如权利要求11所述的系统，其中在从操作者接收到对所述工具的操作的请求时，在所述空气罐中的空气压力低于第一阈值压力期间做出所述对压缩空气的请求。
13.如权利要求12所述的系统，其中将来自所述第一气缸组的每个气缸的空气引导到所述空气涡轮包括将分流阀致动到第一位置，以将所述第一气缸组的排气歧管流体地连接到所述空气涡轮。
14.如权利要求11所述的系统，其中所述环境空气经由包括止回阀的清洁空气通道被吸入所述空气压缩机中，并且其中所述压缩空气经由空气管线被引导到所述空气罐。
15.如权利要求13所述的系统，所述控制器包括用于进行以下操作的另外的指令：经由联接到所述空气罐的压力传感器监测所述空气罐中的所述空气压力，以及响应于所述空气压力增加到高于第二阈值压力，将所述分流阀致动到第二位置，以将所述第一气缸组的所述排气歧管与所述空气涡轮断开连接。
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